DE102022109740A1 - Method and device for carrying out optical coherence measurements for monitoring a machining process of a workpiece - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung optischer Kohärenzmessungen für eine Überwachung eines Bearbeitungsprozesses eines Werkstücks (12). Das Verfahren umfasst ein Erzeugen mehrerer hochenergetischer Bearbeitungsstrahlen und/oder Bearbeitungsstrahlteile (18), die gemäß einem vorgegebenen Spotmuster (20) gleichzeitig auf mehrere Auftreffpunkte (22) richtbar sind, um eine Multispot-Bearbeitung des Werkstücks (12) durchzuführen, bei der das Spotmuster (20) relativ zu dem Werkstück (12) bewegt wird. Ferner umfasst das Verfahren ein Erzeugen eines Messstrahls (26) mittels eines optischen Kohärenztomographen (24), der wahlweise auf unterschiedliche Messpositionen (28) richtbar ist. Außerdem umfasst das Verfahren ein Festlegen eines Spotmusters (20), das wenigstens zwei unterschiedliche Auftreffpunkte (22) definiert. Des Weiteren umfasst das Verfahren ein Festlegen eines Koordinatensystems (30), wobei das Koordinatensystem (30) bezüglich des Spotmusters (20) ortsfest ist. Außerdem umfasst das Verfahren ein Einstellen einer Messposition (28) bezüglich des Koordinatensystems (30) während einer Multispot-Bearbeitung.The invention relates to a method for carrying out optical coherence measurements for monitoring a machining process of a workpiece (12). The method comprises generating several high-energy processing beams and/or processing beam parts (18), which can be directed simultaneously at several impact points (22) according to a predetermined spot pattern (20) in order to carry out multispot processing of the workpiece (12), in which the spot pattern (20) is moved relative to the workpiece (12). The method further comprises generating a measuring beam (26) by means of an optical coherence tomograph (24), which can be directed selectively to different measuring positions (28). The method also includes defining a spot pattern (20) that defines at least two different impact points (22). The method further comprises defining a coordinate system (30), wherein the coordinate system (30) is stationary with respect to the spot pattern (20). The method also includes setting a measuring position (28) with respect to the coordinate system (30) during multispot processing.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung optischer Kohärenzmessungen für eine Überwachung eines Bearbeitungsprozesses eines Werkstücks.The invention relates to a method and a device for carrying out optical coherence measurements for monitoring a machining process of a workpiece.

Für die Bearbeitung von Werkstücken werden mitunter hochenergetische Bearbeitungsstrahlen wie beispielsweise Laserstrahlen eingesetzt. Diese werden gezielt auf ein oder mehrere Werkstücke gerichtet, um Bearbeitungsprozesse durchzuführen, beispielsweise ein Laserstrahlschweißen. Im Auftreffbereich des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls auf dem Werkstück bildet sich eine Prozesszone, in der das Material des Werkstücks aufgeschmolzen wird. Dabei kann sich ein sogenanntes Keyhole ausbilden. Dieses befindet sich innerhalb eines Schmelzbads und ist durch eine Dampfkapillare gebildet, die durch die Einwirkung des Bearbeitungsstrahls auf das Werkstück entsteht.High-energy processing beams such as laser beams are sometimes used to process workpieces. These are specifically aimed at one or more workpieces in order to carry out machining processes, for example laser beam welding. In the area where the high-energy processing beam hits the workpiece, a process zone is formed in which the material of the workpiece is melted. A so-called keyhole can form. This is located within a melt pool and is formed by a vapor capillary, which is created by the action of the processing jet on the workpiece.

Zur Charakterisierung von Werkstücken und zur Überwachung von Bearbeitungsprozessen können optische Kohärenzmessungen durchgeführt werden. Bearbeitungssysteme umfassen in solchen Fällen oftmals einen optischen Kohärenztomographen, der einen Messstrahl erzeugt, der auf das Werkstück gerichtet werden kann, um Messungen vor, hinter und/oder innerhalb des Keyholes durchzuführen. Ein bewährter Aufbau sieht dabei vor, den Messstrahl in den Bearbeitungsstrahl einzukoppeln und den Messstrahl und den Bearbeitungsstrahl über eine gemeinsame Optik im Wesentlichen koaxial auf das Werkstück zu führen. Hierbei kann ein Messscanner eingesetzt werden, beispielsweise in Gestalt einer verstellbaren Spiegelanordnung, mittels derer der Messstrahl in zwei Raumrichtungen gezielt verlagert werden kann.Optical coherence measurements can be carried out to characterize workpieces and monitor machining processes. In such cases, machining systems often include an optical coherence tomograph that generates a measuring beam that can be directed onto the workpiece to carry out measurements in front of, behind and/or within the keyhole. A proven structure involves coupling the measuring beam into the processing beam and guiding the measuring beam and the processing beam essentially coaxially onto the workpiece via a common optics. A measuring scanner can be used here, for example in the form of an adjustable mirror arrangement, by means of which the measuring beam can be specifically shifted in two spatial directions.

Um eine Eindringtiefe des Bearbeitungsstrahls in das Material des Werkstücks zu bestimmen, also in anderen Worten eine Einschweißtiefe zu messen, kann der Messstrahl in das Keyhole gerichtet werden. Die Eindringtiefe liefert wertvolle Informationen darüber, ob gewählte Prozessparameter angepasst werden müssen und ob die Bearbeitung problemlos verläuft oder ob beispielsweise versehentlich das Werkstück vollständig durchdrungen wird. Zur Vorbereitung solcher Eindringtiefenmessungen ist es üblich, zunächst den Messstrahl und den Bearbeitungsstrahl zueinander deckungsgleich auszurichten. Die hierfür erforderliche Ausrichtung wird üblicherweise durchgeführt, indem mit dem Bearbeitungsstrahl ein Testschuss auf ein Blech, ein Stück Alufolie oder ein anderes Testwerkstück vorgenommen wird. Wie beispielsweise in DE 10 2017 213 511 A1 oder DE 10 2015 012565 B3 beschrieben ist, können zur Detektion der Strahlposition auch Kameras verwendet werden. Ziel einer solchen Ausrichtung ist die Justage des Ursprungs des Koordinatensystems, das zur Bestimmung einer Messstrahlposition bzw. für den Messscanner verwendet wird, auf den Bearbeitungspunkt. Die Verwendung eines solchen Koordinatensystems ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn die Bearbeitung entlang eines Bearbeitungspfads mit einer Vorschubgeschwindigkeit und ggf. mit Richtungsänderungen erfolgt. Das Keyhole kann sich dabei aufgrund des Vorschubs hinter einem aktuellen Auftreffpunkt des Bearbeitungsstrahls ausbilden, weshalb der Messstrahl nachlaufend positioniert wird. Die Verwendung eines Koordinatensystems zum Einstellen einer nachlaufenden Messposition gestattet es, richtungsunabhängige Messungen der Eindringtiefe durchzuführen. Würde die Messstrahlposition unverändert beibehalten, würde dagegen die gemessene Eindringtiefe unter Umständen von der Vorschubrichtung und der Vorschubgeschwindigkeit abhängen, da der Messstrahl ggf. nicht zuverlässig in das Keyhole treffen würde.In order to determine a penetration depth of the processing beam into the material of the workpiece, in other words to measure a welding depth, the measuring beam can be directed into the keyhole. The penetration depth provides valuable information about whether selected process parameters need to be adjusted and whether machining runs smoothly or whether, for example, the workpiece is completely penetrated accidentally. To prepare for such penetration depth measurements, it is common practice to first align the measuring beam and the processing beam congruently with one another. The alignment required for this is usually carried out by making a test shot with the processing beam on a sheet of metal, a piece of aluminum foil or another test workpiece. Like for example in DE 10 2017 213 511 A1 or DE 10 2015 012565 B3 As described, cameras can also be used to detect the beam position. The aim of such an alignment is to adjust the origin of the coordinate system, which is used to determine a measuring beam position or for the measuring scanner, to the processing point. The use of such a coordinate system is particularly useful when machining takes place along a machining path with a feed speed and, if necessary, with changes in direction. Due to the feed, the keyhole can form behind a current point of impact of the processing beam, which is why the measuring beam is positioned trailing. The use of a coordinate system to set a trailing measurement position allows direction-independent measurements of the penetration depth to be carried out. If the measuring beam position were to remain unchanged, the measured penetration depth would possibly depend on the feed direction and the feed speed, since the measuring beam might not reliably hit the keyhole.

Für einige Bearbeitungsvorgänge hat es sich als vorteilhaft erwiesen, mehrere Fokuspunkte innerhalb der Prozesszonen zu verwenden, also Bearbeitungsstrahlen oder Teilstrahlen auf mehrere Auftreffpunkte gleichzeitig zu richten. Man spricht in solchen Fällen auch von einer sogenannten Multispot-Bearbeitung. Zur Erzeugung von Multispots sind beispielsweise optische Fasern mit mehreren Kernen bekannt. Häufig werden auch diffraktive optische Elemente (DOEs) oder Prismen zur Aufteilung eines Quellstrahls in mehrere Bearbeitungsstrahlen verwendet. Beispielhaft wird diesbezüglich auf WO 2019/197423 A1 verwiesen. Die Verwendung eines Multispot-Bearbeitungsstrahls kann beispielsweise einem Vorwärmen des bearbeiteten Materials, einem Abbrennen einer Zinkschicht, einem Aufbrechen einer Oxidschicht und/oder einer Spotverbreiterung oder -vergrößerung dienen.For some processing operations, it has proven to be advantageous to use several focus points within the process zones, i.e. to direct processing beams or partial beams to several impact points at the same time. In such cases we also speak of so-called multispot processing. For example, optical fibers with multiple cores are known for generating multispots. Diffractive optical elements (DOEs) or prisms are often used to split a source beam into several processing beams. An example is given in this regard WO 2019/197423 A1 referred. The use of a multispot processing beam can be used, for example, to preheat the processed material, to burn off a zinc layer, to break up an oxide layer and/or to widen or enlarge the spot.

Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, eine Multispot-Bearbeitung mit hoher Genauigkeit überwachen zu können.Based on the prior art, the invention is based on the object of being able to monitor multispot processing with high accuracy.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Weiterbildungen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.This task is solved by a method with the features of claim 1 and a device with the features of claim 10. Further developments can be found in the dependent claims.

Eine nachlaufende Positionierung eines OCT-Messstrahls bei einer Multispot-Bearbeitung wurde bisher nicht in Erwägung gezogen. Die Erfinder haben erkannt, dass das gängige Vorgehen eines Testschusses zur Bestimmung einer Bearbeitungsstrahlposition für eine Multispot-Bearbeitung zwar mehrere Testschusslöcher liefert, dieses Testschussmuster aber nicht gleichzusetzen ist mit dem Vorhandensein mehrerer Keyholes während der Bearbeitung, insbesondere in dem Fall, dass ein Vorschub erfolgt. Die Erfinder haben ferner erkannt, dass ein Richten des Messstrahls auf die Position eines der Testschusslöcher unter Umständen keine richtungsunabhängige Eindringtiefenmessung während einer Bearbeitung gestatten würde. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, ein Koordinatensystem zur Einstellung einer Messposition geeignet in Abhängigkeit von einem Spotmuster festzulegen.A trailing positioning of an OCT measuring beam during multispot processing has not yet been considered. The inventors have recognized that the common procedure of a test shot to determine a processing beam position for multispot processing provides several test shot holes, but this test shot pattern cannot be equated with that Presence of multiple keyholes during machining, especially in the case of feed. The inventors have also recognized that directing the measuring beam at the position of one of the test shot holes would under certain circumstances not allow direction-independent penetration depth measurement during processing. According to the invention, it is proposed to define a coordinate system for setting a measurement position in a suitable manner depending on a spot pattern.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung optischer Kohärenzmessungen für eine Überwachung eines Bearbeitungsprozesses eines Werkstücks. Das Verfahren umfasst ein Erzeugen mehrerer hochenergetischer Bearbeitungsstrahlen und/oder Bearbeitungsstrahlteile, die gemäß einem vorgegebenen Spotmuster gleichzeitig auf mehrere Auftreffpunkte richtbar sind, um eine Multispot-Bearbeitung des Werkstücks durchzuführen, bei der das Spotmuster relativ zu dem Werkstück bewegt wird. Das Verfahren umfasst zudem ein Erzeugen eines Messstrahls mittels eines optischen Kohärenztomographen, der wahlweise auf unterschiedliche Messpositionen richtbar ist. Außerdem umfasst das Verfahren ein Festlegen eines Spotmusters, das wenigstens zwei unterschiedliche Auftreffpunkte definiert. Ferner umfasst das Verfahren ein Festlegen eines Koordinatensystems, wobei das Koordinatensystem bezüglich des Spotmusters ortsfest ist. Außerdem umfasst das Verfahren ein Einstellen einer Messposition bezüglich des Koordinatensystems während einer Multispot-Bearbeitung.The invention relates to a method for carrying out optical coherence measurements for monitoring a machining process of a workpiece. The method includes generating a plurality of high-energy processing beams and/or processing beam parts, which can be directed simultaneously at several impact points according to a predetermined spot pattern in order to carry out multispot processing of the workpiece, in which the spot pattern is moved relative to the workpiece. The method also includes generating a measuring beam using an optical coherence tomograph, which can optionally be directed to different measuring positions. The method also includes setting a spot pattern that defines at least two different impact points. The method further includes determining a coordinate system, wherein the coordinate system is stationary with respect to the spot pattern. The method also includes setting a measurement position with respect to the coordinate system during multispot processing.

Die Erfindung betrifft zudem eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks und zur Durchführung optischer Kohärenzmessungen für eine Überwachung eines Bearbeitungsprozesses des Werkstücks, insbesondere gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren. Die Vorrichtung umfasst eine Bearbeitungseinheit mit einer Bearbeitungsstrahlquelle zum Erzeugen mehrerer hochenergetischer Bearbeitungsstrahlen und/oder Bearbeitungsstrahlteile, die gemäß einem vorgegebenen Spotmuster gleichzeitig auf mehrere Auftreffpunkte richtbar sind, um eine Multispot-Bearbeitung des Werkstücks durchzuführen, bei der das Spotmuster relativ zu dem Werkstück bewegt wird. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung einen optischen Kohärenztomographen zum Erzeugen eines Messstrahls, der wahlweise auf unterschiedliche Messpositionen richtbar ist. Außerdem umfasst die Vorrichtung eine Steuereinheit, die eingerichtet ist zum Festlegen eines Spotmusters, das wenigstens zwei unterschiedliche Auftreffpunkte definiert, Festlegen eines Koordinatensystems, wobei das Koordinatensystem bezüglich des Spotmusters ortsfest ist, und Einstellen einer Messposition bezüglich des Koordinatensystems während einer Multispot-Bearbeitung.The invention also relates to a device for machining a workpiece and for carrying out optical coherence measurements for monitoring a machining process of the workpiece, in particular according to a method according to the invention. The device comprises a processing unit with a processing beam source for generating a plurality of high-energy processing beams and/or processing beam parts, which can be directed simultaneously at several impact points according to a predetermined spot pattern in order to carry out multispot processing of the workpiece, in which the spot pattern is moved relative to the workpiece. Furthermore, the device comprises an optical coherence tomograph for generating a measuring beam, which can be directed selectively to different measuring positions. The device also includes a control unit that is set up to set a spot pattern that defines at least two different impact points, set a coordinate system, the coordinate system being stationary with respect to the spot pattern, and setting a measurement position with respect to the coordinate system during multispot processing.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglichen die Überwachung einer Multispot-Bearbeitung mit hoher Genauigkeit. Ein OCT-System kann durch die erfindungsgemäßen Merkmale sinnvoll zur Messung von Eindringtiefen bei einer Multispot-Bearbeitung verwendet werden. Auch bei einer Bearbeitung mit einem Vorschub und selbst für komplizierte Bearbeitungspfade kann eine richtungsunabhängige präzise Messung durchgeführt werden. Im Speziellen kann ein Messtrahl bei einer Multispot-Bearbeitung gezielt und zuverlässig derart nachlaufend positioniert werden, dass er in ein vom Bearbeitungsstrahl gebildetes Keyhole trifft, und zwar für nahezu beliebige Bearbeitungspfade und ggf. veränderliche Bearbeitungsrichtungen und variable Vorschubgeschwindigkeiten.The method according to the invention and the device according to the invention enable multispot processing to be monitored with high accuracy. Thanks to the features according to the invention, an OCT system can be usefully used to measure penetration depths in multispot processing. Even when machining with a feed and even for complicated machining paths, precise, direction-independent measurement can be carried out. In particular, during multispot processing, a measuring beam can be positioned specifically and reliably in such a way that it hits a keyhole formed by the processing beam, for almost any processing path and, if necessary, variable processing directions and variable feed speeds.

Der zumindest eine Bearbeitungsstrahl kann ein Bearbeitungslaserstrahl sein. Die Bearbeitungsstrahlquelle kann ein Bearbeitungslaser sein. Die Vorrichtung kann einen Bearbeitungskopf umfassen, der beispielsweise auf einem Industrieroboter angebracht sein kann. Der Bearbeitungskopf kann relativ zum Werkstück bewegbar sein, wobei die Relativbewegung durch Bewegung des Bearbeitungskopfes und/oder durch Bewegung des Werkstücks erzeugt werden kann. In einigen Ausführungsformen kann ein einzelner Bearbeitungsstrahl erzeugt werden, der in mehrere Bearbeitungsstrahlen und/oder Bearbeitungsstrahlteile aufgeteilt wird. Hierfür kann zumindest ein DOE, zumindest ein Prisma und/oder zumindest eine optische Faser mit mehreren Kernen verwendet werden. Wenn im Folgenden auf einen Bearbeitungsstrahl oder auf den Bearbeitungsstrahl Bezug genommen wird, soll hierunter zu verstehen sein, dass es sich sowohl um ein Strahlenbündel mehrerer Bearbeitungsstrahlen als auch, alternativ oder zusätzlich, um einen einzelnen Bearbeitungsstrahl handeln kann, der entlang seines Strahlengangs aufgeteilt wird. Es kann damit insbesondere der Bearbeitungsstrahl sowohl vor als auch nach seiner Aufteilung gemeint sein. Unabhängig hiervon liegt zur Bearbeitung ein Spotmuster mit mehreren Spots vor.The at least one processing beam can be a processing laser beam. The processing beam source can be a processing laser. The device can include a processing head, which can be mounted on an industrial robot, for example. The machining head can be movable relative to the workpiece, wherein the relative movement can be generated by moving the machining head and/or by moving the workpiece. In some embodiments, a single processing beam may be generated that is divided into multiple processing beams and/or processing beam parts. At least one DOE, at least one prism and/or at least one optical fiber with multiple cores can be used for this. If reference is made below to a processing beam or to the processing beam, this should be understood to mean that it can be both a beam of several processing beams and, alternatively or additionally, a single processing beam that is divided along its beam path. This can in particular mean the processing beam both before and after its division. Regardless of this, a spot pattern with several spots is available for processing.

Es kann ein Bearbeitungsscanner vorgesehen sein, mittels dessen der Bearbeitungsstrahl relativ zum Werkstück verlagerbar ist. Der Bearbeitungsscanner kann eine Verlagerung einer Bearbeitungsposition auf dem Werkstück in eine oder in zwei Raumrichtungen gestatten. Beispielsweise kann der Bearbeitungsscanner über wenigstens einen und insbesondere zwei bewegliche Spiegel verfügen, mittels derer der Bearbeitungsstrahl gezielt verlagert werden kann.A processing scanner can be provided, by means of which the processing beam can be displaced relative to the workpiece. The machining scanner can allow a machining position on the workpiece to be shifted in one or two spatial directions. For example, the processing scanner can have at least one and in particular two movable mirrors, by means of which the processing beam can be shifted in a targeted manner.

Der Messstrahl kann in den Bearbeitungsstrahl und/oder in die Bearbeitungsstrahloptik einkoppelbar sein. Es kann ein Messscanner vorgesehen sein, mittels dessen der Messstrahl relativ zum Bearbeitungsstrahl bzw. relativ zu dem Spotmuster verlagerbar ist. Der Messstrahl ist insbesondere ein Einzelstrahl. Der Messstrahl kann zusätzlich zum Messscanner auch über den Bearbeitungsscanner verlagerbar sein. In dieser Konfiguration ist beispielsweise der Bearbeitungsstrahl über den Bearbeitungsscanner aber nicht über den Messscanner und der Messstrahl sowohl über den Messscanner als auch über den Bearbeitungsscanner geführt. Somit kann der Messstrahl mittels des Messscanners relativ zum Spotmuster verlagerbar sein, auch wenn der Bearbeitungsscanner bewegt wird.The measuring beam can be coupled into the processing beam and/or into the processing beam optics. A measuring scanner can be provided be hen, by means of which the measuring beam can be displaced relative to the processing beam or relative to the spot pattern. The measuring beam is in particular a single beam. In addition to the measuring scanner, the measuring beam can also be moved via the processing scanner. In this configuration, for example, the processing beam is guided over the processing scanner but not over the measuring scanner and the measuring beam is guided over both the measuring scanner and the processing scanner. The measuring beam can therefore be displaced relative to the spot pattern by means of the measuring scanner, even if the processing scanner is moved.

Der optische Kohärenztomograph kann einen Messarm umfassen, in dem der Messstrahl optisch geführt ist. Ferner kann der optische Kohärenztomograph einen Referenzarm umfassen, in dem ein Referenzstrahl optisch geführt ist. Messstrahl und Referenzstrahl können mithilfe eines Strahlteilers aus einem Quellstrahl, insbesondere einem breitbandigen kurzkohärenten Lichtstrahl, erzeugt sein. Der Messstrahl und der Referenzstrahl können in grundsätzlich bekannter Weise zur Durchführung von optischen Kohärenzmessungen zur Interferenz bringbar sein.The optical coherence tomograph can include a measuring arm in which the measuring beam is optically guided. Furthermore, the optical coherence tomograph can include a reference arm in which a reference beam is optically guided. The measuring beam and reference beam can be generated from a source beam, in particular a broadband, short-coherent light beam, using a beam splitter. The measuring beam and the reference beam can be brought into interference in a generally known manner in order to carry out optical coherence measurements.

Es versteht sich, dass das Spotmuster mindestens zwei Spots umfasst, beispielsweise zwei oder drei oder vier oder fünf oder eine noch größere Anzahl individueller Spots. Das Spotmuster kann so gewählt sein, dass bei der Multispot-Bearbeitung eine einzelne Schweißnaht bzw. eine einzelne Bearbeitungsspur gebildet wird. Das Spotmuster kann insofern verschieden sein von einer Anordnung mehrerer unzusammenhängender Bearbeitungspositionen an unterschiedlichen Stellen des Werkstücks. In einigen Ausführungsformen wird der Bearbeitungsstrahl bzw. werden die Bearbeitungsstrahlen und/oder Bearbeitungsstrahlteile über eine gemeinsame Bearbeitungsstrahloptik und/oder über einen gemeinsamen Bearbeitungsscanner auf das Werkstück geführt. Das Spotmuster kann hierdurch als Ganzes relativ zu dem Werkstück verlagerbar sein. An mittels des Bearbeitungsscanners einstellbaren unterschiedlichen Bearbeitungspositionen trifft jeweils ein zumindest im Wesentlichen unverändertes Spotmuster auf das Werkstück, zumindest sofern nicht das Spotmuster als solches verändert oder angepasst wird. It is understood that the spot pattern includes at least two spots, for example two or three or four or five or an even larger number of individual spots. The spot pattern can be selected so that a single weld seam or a single processing track is formed during multispot processing. In this respect, the spot pattern can be different from an arrangement of several unconnected processing positions at different locations on the workpiece. In some embodiments, the processing beam or the processing beams and/or processing beam parts are guided onto the workpiece via a common processing beam optics and/or via a common processing scanner. The spot pattern can thereby be moved as a whole relative to the workpiece. At different processing positions that can be set using the processing scanner, an at least essentially unchanged spot pattern hits the workpiece, at least as long as the spot pattern as such is not changed or adjusted.

Das Festlegen des Spotmusters kann ein Einstellen zumindest eines optischen Elements umfassen, das zur Aufteilung des Bearbeitungsstrahls dient. Wie erwähnt, kann es sich bei diesem optischen Element um zumindest ein DOE, zumindest ein Prisma und/oder zumindest eine optische Faser mit mehreren Kernen handeln. Das Spotmuster kann von einem Benutzer einstellbar und/oder vorgebbar und/oder voreingestellt sein. In einigen Ausführungsformen ist das Spotmuster automatisiert einstellbar.Setting the spot pattern can include setting at least one optical element that serves to split the processing beam. As mentioned, this optical element can be at least one DOE, at least one prism and/or at least one optical fiber with multiple cores. The spot pattern can be adjustable and/or preset and/or preset by a user. In some embodiments, the spot pattern can be set automatically.

Das Festlegen des Koordinatensystems kann ein Festlegen eines Ursprungs und/oder ein Festlegen zumindest zweier Achsen umfassen. Das Koordinatensystem kann ein zweidimensionales, insbesondere orthogonales, Koordinatensystem sein. Seine Achsen können beispielsweise im Wesentlichen parallel zu einer Bearbeitungsebene verlaufen. Bei einer Bearbeitung kann ein zu bearbeitender Oberflächenabschnitt des Werkstücks parallel zu und/oder in der Bearbeitungsebene angeordnet sein. Das Koordinatensystem kann bezüglich des Spotmusters dahingehend ortsfest sein, dass sein Ursprung einen definierten und/oder konstanten Abstand von den einzelnen Spots des Spotmusters aufweist. Ferner kann das Koordinatensystem dahingehend ortsfest sein, dass sich die Orientierung der Achsen des Koordinatensystems relativ zum Spotmuster nicht ändert. In anderen Worten kann das Koordinatensystem mit dem Spotmuster mitbewegbar und/oder mitrotierbar sein.Setting the coordinate system may include setting an origin and/or setting at least two axes. The coordinate system can be a two-dimensional, in particular orthogonal, coordinate system. Its axes can, for example, run essentially parallel to a processing plane. During machining, a surface section of the workpiece to be machined can be arranged parallel to and/or in the machining plane. The coordinate system can be stationary with respect to the spot pattern in such a way that its origin has a defined and/or constant distance from the individual spots of the spot pattern. Furthermore, the coordinate system can be stationary in the sense that the orientation of the axes of the coordinate system does not change relative to the spot pattern. In other words, the coordinate system can be movable and/or rotatable with the spot pattern.

Eine Bearbeitung erfolgt insbesondere entlang eines Bearbeitungspfads. Anders ausgedrückt, wird bei der Bearbeitung der Bearbeitungsstrahl entlang des Bearbeitungspfads relativ zum Werkstück verlagert. Dieser kann einen beliebigen Verlauf aufweisen und etwa gerade, gekrümmte, winklige, bogenförmige oder anderweitig beschaffene Abschnitte aufweisen. Der Bearbeitungspfad kann bezüglich eines Bearbeitungskoordinatensystems definiert sein. Das Bearbeitungskoordinatensystem kann beispielsweise ein Bezugssystem der Vorrichtung und/oder ein Bezugssystem für das Werkstück sein. Das Bearbeitungskoordinatensystem kann ortsfest zum Werkstück sein, sodass der Bearbeitungspfad relativ zum Werkstück definiert ist. Das Koordinatensystem für die Messposition kann insofern relativ zu dem Bearbeitungskoordinatensystem bewegt und/oder beschleunigt sein, insbesondere sowohl translatorisch als auch rotatorisch. Das Bearbeitungskoordinatensystem kann ein zweidimensionales, insbesondere orthogonales, Koordinatensystem sein. Die Achsen des Bearbeitungskoordinatensystems und die Achsen des Koordinatensystems für die Messposition können unabhängig von einem Bewegungs- und/oder Beschleunigungszustand des Koordinatensystems für die Messposition in einer gemeinsamen Ebene liegen.Processing takes place in particular along a processing path. In other words, during machining, the machining beam is displaced along the machining path relative to the workpiece. This can have any course and may have straight, curved, angled, arcuate or other sections. The machining path may be defined in terms of a machining coordinate system. The machining coordinate system can be, for example, a reference system of the device and/or a reference system for the workpiece. The machining coordinate system can be stationary to the workpiece, so that the machining path is defined relative to the workpiece. The coordinate system for the measuring position can therefore be moved and/or accelerated relative to the processing coordinate system, in particular both translationally and rotationally. The processing coordinate system can be a two-dimensional, in particular orthogonal, coordinate system. The axes of the machining coordinate system and the axes of the coordinate system for the measuring position can lie in a common plane regardless of a movement and/or acceleration state of the coordinate system for the measuring position.

Das Einstellen der Messposition bezüglich des Koordinatensystems während einer Multispot-Bearbeitung kann ein Ausdrücken der Messposition in den Koordinaten des Koordinatensystems umfassen. Eine bezüglich des Koordinatensystems konstante Messposition ist somit bezüglich des Bearbeitungskoordinatensystems in Abhängigkeit von dem Bearbeitungspfad bewegt und/oder beschleunigt.Setting the measurement position with respect to the coordinate system during multispot processing may include expressing the measurement position in the coordinates of the coordinate system. A measuring position that is constant with respect to the coordinate system is therefore relative to the machining tung coordinate system moves and / or accelerates depending on the processing path.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung wird ein Ursprung des Koordinatensystems in einer Mitte des Spotmusters und/oder zwischen den Spots des Spotmusters positioniert. Ist das Spotmuster bekannt, beispielsweise durch Vorgabe und/oder durch eine Testmessung, kann auf diese Weise der Ursprung ausgehend vom Spotmuster einfach und einer zuverlässigen Vorschrift folgend festgelegt werden. Wird eine Testmessung durchgeführt, bei der das Spotmuster im Rahmen eines Testschusses auf ein Testwerkstück gerichtet wird, kann beispielsweise ein testweise bearbeiteter Bereich mittels des Messstrahls vermessen werden, etwa durch ein Abrastern.In some embodiments of the invention, an origin of the coordinate system is positioned at a center of the spot pattern and/or between the spots of the spot pattern. If the spot pattern is known, for example by specification and/or by a test measurement, the origin can be easily determined based on the spot pattern and following a reliable rule. If a test measurement is carried out in which the spot pattern is directed at a test workpiece as part of a test shot, an area that has been processed for a test can, for example, be measured using the measuring beam, for example by scanning.

Eine besonders zweckdienliche Ausgestaltung, die zudem ein intuitives Nachvollziehen eines eingestellten Nachlaufs der Messposition und/oder eine einfache Programmierung gestattet, kann insbesondere dann erzielt werden, wenn als Ursprung des Koordinatensystems ein Schwerpunkt des Spotmusters gewählt wird. Der Schwerpunkt kann ein geometrischer Schwerpunkt und/oder ein nach Intensität und/oder Leistung an den Auftreffpunkten des Spotmusters gewichteter Schwerpunkt sein. Die Intensitäten und/oder die Leistung an den Auftreffpunkten kann anhand einer Testmessung und/oder anhand einer Vorgabe und/oder anhand einer Schätzung bestimmt sein. Ein im Rahmen einer Testmessung testweise bearbeiteter Bereich kann beispielsweise auf eine Tiefe und/oder einen Durchmesser der einzelnen testweise erzeugten Schusslöcher hin untersucht werden, anhand derer auf die Intensitäten und/oder die Leistung an den einzelnen Auftreffpunkten rückgeschlossen werden kann.A particularly useful embodiment, which also allows intuitive tracking of a set tracking of the measuring position and/or simple programming, can be achieved in particular if a center of gravity of the spot pattern is chosen as the origin of the coordinate system. The center of gravity can be a geometric center of gravity and/or a center of gravity weighted according to intensity and/or power at the impact points of the spot pattern. The intensities and/or the power at the impact points can be determined based on a test measurement and/or based on a specification and/or based on an estimate. An area that has been processed as part of a test measurement can, for example, be examined for a depth and/or a diameter of the individual shot holes created as a test, from which conclusions can be drawn about the intensities and/or the power at the individual impact points.

In einigen Ausführungsformen kann sich die Messposition von jedem Auftreffpunkt des Spotmusters unterscheiden. Die Erfinder haben festgestellt, dass sich das Keyhole in vielen Fällen an einem Ort ausbildet, der sich von sämtlichen Spots unterscheidet, weshalb diese Wahl der Messposition den Vorteil haben kann, dass eine Eindringtiefe präzise bestimmt werden kann, weil der Messstrahl bei der Bearbeitung in das Keyhole gerichtet wird. Hierbei ist zu beachten, dass die Messposition von der aktuellen Bearbeitungssituation abhängen kann. Insbesondere kann ein geeigneter Nachlauf von einer Richtung und/oder einer Vorschubgeschwindigkeit abhängen. Die Erfinder haben diesbezüglich festgestellt, dass auch für deutlich unterschiedliche Bearbeitungspositionen das Keyhole sich regelmäßig an einer Position ausbildet, die keinem der Auftreffpunkte entspricht, selbst wenn die Position des Keyholes veränderlich ist.In some embodiments, the measurement position may differ from each point of impact of the spot pattern. The inventors have found that in many cases the keyhole forms in a location that is different from all spots, which is why this choice of measuring position can have the advantage that a penetration depth can be precisely determined because the measuring beam is in the process during processing Keyhole is directed. It should be noted that the measuring position can depend on the current machining situation. In particular, a suitable overrun can depend on a direction and/or a feed rate. In this regard, the inventors have found that even for significantly different processing positions, the keyhole regularly forms at a position that does not correspond to any of the impact points, even if the position of the keyhole is changeable.

Bei der Multispot-Bearbeitung kann ein einzelnes Keyhole gebildet werden. Die Messposition kann bei der Multispot-Bearbeitung in das Keyhole gerichtet sein. Die Vorteile einer Multispot-Bearbeitung können auf diese Weise mit den Vorteilen einer präzisen Eindringtiefenmessung kombiniert werden.With multispot editing, a single keyhole can be formed. The measuring position can be directed into the keyhole during multispot processing. In this way, the advantages of multispot processing can be combined with the advantages of precise penetration depth measurement.

Das Verfahren kann ferner ein Durchführen einer Bearbeitung umfassen, bei der das Spotmuster relativ zu dem Werkstück mit einer Vorschubgeschwindigkeit und/oder in eine Bearbeitungsrichtung bewegt wird. Außerdem kann das Verfahren ein Einstellen der Messposition in Abhängigkeit von einem Betrag der Vorschubgeschwindigkeit und/oder einer Orientierung der Bearbeitungsrichtung bezüglich des Koordinatensystems umfassen. Insbesondere wir der Nachlauf der Messposition abhängig von und/oder proportional zu der Vorschubgeschwindigkeit eingestellt, d. h. je größer die Vorschubgeschwindigkeit ist, desto größer wird der Nachlauf eingestellt. Die Berücksichtigung der Orientierung kann dem Umstand Rechnung tragen, dass die Keyholeposition bzw. der Abstand des Keyholes vom Ursprung des Koordinatensystems von der Orientierung, insbesondere der relativen Drehung, des Spotmusters bezogen auf die Bearbeitungsrichtung bzw. das Bearbeitungskoordinatensystem abhängen kann. Schmelzbad und Keyhole können sich je nach Orientierung des Spotmusters unterschiedlich ausbilden, beispielsweise bezogen auf ihre Position und/oder Geometrie.The method may further include performing a machining in which the spot pattern is moved relative to the workpiece at a feed speed and/or in a machining direction. In addition, the method can include adjusting the measuring position depending on an amount of the feed speed and/or an orientation of the processing direction with respect to the coordinate system. In particular, the tracking of the measuring position is set depending on and/or proportional to the feed speed, i.e. H. the higher the feed speed, the greater the overtravel is set. Taking the orientation into account can take into account the fact that the keyhole position or the distance of the keyhole from the origin of the coordinate system can depend on the orientation, in particular the relative rotation, of the spot pattern in relation to the processing direction or the processing coordinate system. Melt pool and keyhole can form differently depending on the orientation of the spot pattern, for example based on their position and/or geometry.

Des Weiteren kann das Verfahren ein Durchführen einer Testbearbeitung eines Testwerkstücks umfassen, bei der das Spotmuster mit zumindest einer Vorschubgeschwindigkeit in zumindest zwei unterschiedliche Bearbeitungsrichtungen bewegt wird. Außerdem kann das Verfahren ein Verlagern der Messposition bezüglich des Koordinatensystems während der Testbearbeitung umfassen, insbesondere entlang zumindest einer Linie parallel und/oder senkrecht und/oder schräg zu einer aktuellen Bearbeitungsrichtung, um Messdaten zu erhalten, aus denen ein Profil einer Eindringtiefe in das Testwerkstück bestimmbar ist. Ferner kann das Verfahren ein Festlegen einer Abhängigkeit der Einstellung der Messposition von einer Orientierung der Bearbeitungsrichtung und der Vorschubgeschwindigkeit bezüglich des Koordinatensystems umfassen. Hierdurch kann eine Eindringtiefenmessung auch für wechselnde Bearbeitungsrichtungen zuverlässig und präzise bestimmt werden, indem anhand der Testbearbeitung ermittelt wird, wie sich unterschiedliche Vorschubgeschwindigkeiten und/oder unterschiedliche Bearbeitungsrichtungen auf die Position des Keyholes auswirken. Diese Information kann dann dazu benutzt werden, die Messposition geeignet einzustellen.Furthermore, the method can include carrying out a test processing of a test workpiece, in which the spot pattern is moved with at least one feed speed in at least two different processing directions. In addition, the method can include shifting the measuring position with respect to the coordinate system during test processing, in particular along at least one line parallel and/or perpendicular and/or oblique to a current processing direction, in order to obtain measurement data from which a profile of a penetration depth into the test workpiece can be determined is. Furthermore, the method can include determining a dependence of the setting of the measuring position on an orientation of the machining direction and the feed rate with respect to the coordinate system. In this way, a penetration depth measurement can also be determined reliably and precisely for changing machining directions by using the test machining to determine how different feed speeds and/or different machining directions affect the position of the keyhole. This information can then be used to set the measuring position appropriately.

Die Testbearbeitung kann ein Bewegen des Spotmusters mit mehreren unterschiedlichen Vorschubgeschwindigkeiten umfassen. Für jede Vorschubgeschwindigkeit können dann mehrere unterschiedliche Bearbeitungsrichtungen testweise verwendet werden. Anders ausgedrückt kann bei der Testbearbeitung das Spotmuster für die zumindest zwei unterschiedlichen Bearbeitungsrichtungen mit jeweils zumindest zwei unterschiedlichen Vorschubrichtungen bewegt werden. Hierdurch wird ein vollständigeres Bild von der Abhängigkeit der Keyholeposition vom gewählten Bearbeitungspfad und dem gewählten Vorschub entlang des Bearbeitungspfads erhalten. Nach Maßgabe der erhaltenen Informationen kann eine automatische Einstellung der Messposition auf der Grundlage eines vorgegebenen Bewegungsplans erfolgen, also beispielsweise einer vorgegebenen Kombination von Bearbeitungspfad und, ggf. veränderlicher, Vorschubgeschwindigkeit.The test processing may include moving the spot pattern at several different feed rates. Several different machining directions can then be used as a test for each feed speed. In other words, during test processing, the spot pattern can be moved for the at least two different processing directions, each with at least two different feed directions. This provides a more complete picture of the dependence of the keyhole position on the selected machining path and the selected feed along the machining path. According to the information received, the measuring position can be adjusted automatically on the basis of a predetermined movement plan, for example a predetermined combination of processing path and, if necessary, variable feed speed.

Es wird insbesondere darauf hingewiesen, dass alle in Bezug auf Vorrichtungen beschriebenen Merkmale und Eigenschaften, aber auch Verfahrensweisen, sinngemäß auf erfindungsgemäße Verfahren übertragbar und im Sinne der Erfindung einsetzbar und als mitoffenbart gelten. Gleiches gilt auch in umgekehrter Richtung. Das bedeutet, dass auch in Bezug auf Verfahren genannte, bauliche also vorrichtungsgemäße Merkmale im Rahmen der Vorrichtungsansprüche berücksichtigt, beansprucht und ebenfalls zur Offenbarung gezählt werden können.It is particularly pointed out that all features and properties described in relation to devices, but also procedures, can be transferred to methods according to the invention and can be used in the sense of the invention and are considered to be disclosed. The same applies in the opposite direction. This means that structural features mentioned in relation to methods, i.e. features corresponding to the device, can also be taken into account, claimed and also included in the disclosure within the scope of the device claims.

Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand der beigefügten Figuren beispielhaft beschrieben. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und im Rahmen der Ansprüche sinnvoll in Kombination verwenden.The present invention is described below by way of example using the attached figures. The drawing, description and claims contain numerous features in combination. The person skilled in the art will also expediently consider the features individually and use them in combination within the scope of the claims.

Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks und zur Durchführung optischer Kohärenztomographiemessungen für eine Überwachung eines Bearbeitungsprozesses;
  • 2 eine schematische Darstellung eines Spotmusters für eine Multispot-Bearbeitung;
  • 3 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Bearbeitungspfads;
  • 4 eine schematische Darstellung einer Ausbildung eines Keyholes bei einer Testbearbeitung mit einer ersten Bearbeitungsrichtung;
  • 5 eine schematische Darstellung einer Ausbildung eines Keyholes bei einer Testbearbeitung mit einer zweiten Bearbeitungsrichtung;
  • 6 eine schematische Veranschaulichung einer Abhängigkeit einer Keyholeposition von einer Bearbeitungsrichtung; und
  • 7 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Bearbeitung eines Werkstücks und zur Durchführung optischer Kohärenztomographiemessungen für eine Überwachung eines Bearbeitungsprozesses.
Show it:
  • 1 a schematic representation of a device for machining a workpiece and for carrying out optical coherence tomography measurements for monitoring a machining process;
  • 2 a schematic representation of a spot pattern for multispot processing;
  • 3 a schematic representation of a portion of an editing path;
  • 4 a schematic representation of a formation of a keyhole during a test machining with a first machining direction;
  • 5 a schematic representation of the formation of a keyhole during test machining with a second machining direction;
  • 6 a schematic illustration of a dependence of a keyhole position on a machining direction; and
  • 7 a schematic flowchart of a method for machining a workpiece and for carrying out optical coherence tomography measurements for monitoring a machining process.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 10 zur Bearbeitung eines Werkstücks 12 und zur Durchführung optischer Kohärenzmessungen für eine Überwachung eines Bearbeitungsprozesses. Das Werkstück 12 kann beispielsweise ein Blechteil oder ein anderes aus Metall gefertigtes Bauteil sein, ebenso wie eine Kombination mehrerer Teile, die beispielsweise im Rahmen der Bearbeitung verbunden, insbesondere verschweißt, werden sollen. Die Vorrichtung 10 umfasst eine Bearbeitungseinheit 14, die eine Bearbeitungsstrahlquelle 16 umfasst, welche einen hochenergetischen Bearbeitungsstrahl 18 erzeugt. Im dargestellten Fall umfasst die Bearbeitungsstrahlquelle 16 einen Laser, der einen Bearbeitungslaserstrahl erzeugt. Die Bearbeitungseinheit 14 kann über eine verstellbare Kollimationslinse 32 verfügen. 1 shows a schematic representation of a device 10 for machining a workpiece 12 and for carrying out optical coherence measurements for monitoring a machining process. The workpiece 12 can be, for example, a sheet metal part or another component made of metal, as well as a combination of several parts that are to be connected, in particular welded, for example during processing. The device 10 includes a processing unit 14, which includes a processing beam source 16, which generates a high-energy processing beam 18. In the case shown, the processing beam source 16 comprises a laser that generates a processing laser beam. The processing unit 14 can have an adjustable collimation lens 32.

Die Bearbeitungseinheit 14 umfasst im dargestellten Beispiel einen Bearbeitungskopf 34. Über eine Schnittstelle 36 des Bearbeitungskopfes 34 ist der Bearbeitungsstrahl 18 in den Bearbeitungskopf 34 einkoppelbar. Der Bearbeitungsstrahl 18 kann beispielsweise durch eine optische Faser zum Bearbeitungskopf 34 geführt sein. Der Bearbeitungskopf 34 ist im dargestellten Fall auf einem nicht dargestellten Industrieroboter angeordnet, mittels dessen der Bearbeitungskopf 34 relativ zum Werkstück 12 bewegbar ist. In anderen Ausführungsformen kann alternativ oder zusätzlich das Werkstück 12 bewegbar sein.In the example shown, the processing unit 14 includes a processing head 34. The processing beam 18 can be coupled into the processing head 34 via an interface 36 of the processing head 34. The processing beam 18 can be guided to the processing head 34, for example, through an optical fiber. In the case shown, the processing head 34 is arranged on an industrial robot, not shown, by means of which the processing head 34 can be moved relative to the workpiece 12. In other embodiments, the workpiece 12 may alternatively or additionally be movable.

Die Vorrichtung 10 umfasst zudem einen optischen Kohärenztomographen 24 mit einem OCT-Messgerät 38, das über einen Strahlteiler 40 mit einem Messarm 42 und einem Referenzarm 44 verbunden ist.The device 10 also includes an optical coherence tomograph 24 with an OCT measuring device 38, which is connected to a measuring arm 42 and a reference arm 44 via a beam splitter 40.

Das OCT-Messgerät 38 ist mit einer Messstrahlquelle 46 zum Erzeugen eines Messstrahls 26 sowie einem Spektrometer 48 zum Detektieren einer überlagerten Messstrahlung ausgebildet. Des Weiteren kann das OCT-Messgerät 38 einen Zirkulator 50 umfassen, der den Strahlteiler 40 über eine Faser bzw. einen Lichtleiter 52 mit der Messstrahlquelle 46 oder dem Spektrometer 48 verbindet, je nach Laufrichtung des eintreffenden Lichts.The OCT measuring device 38 is designed with a measuring beam source 46 for generating a measuring beam 26 and a spectrometer 48 for detecting a superimposed measuring radiation. Furthermore, the OCT measuring device 38 can include a circulator 50, which connects the beam splitter 40 via a fiber or a light guide 52 to the measuring beam source 46 or the spectrometer 48, depending on the direction of travel of the incoming light.

Der Messarm 42 des optischen Kohärenztomographen 24 erstreckt sich bis zu dem Werkstück 12. Der Messarm 42 kann eine verstellbare Kollimationslinse 54 umfassen. Ferner kann eine Schnittstelle 38 vorgesehen sein, über die der Messstrahl 26 in den Bearbeitungskopf 34 eingekoppelt wird.The measuring arm 42 of the optical coherence tomograph 24 extends to the workpiece 12. The measuring arm 42 can have an adjustable collimation tion lens 54 include. Furthermore, an interface 38 can be provided, via which the measuring beam 26 is coupled into the processing head 34.

Die Vorrichtung 10 umfasst einen Messscanner 56. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der Messcanner 56 zwei bewegbare Spiegel, die in zwei unterschiedliche Raumrichtungen schwenkbar sind. Hierdurch kann der Messstrahl 26 gezielt verlagert werden.The device 10 includes a measuring scanner 56. In the illustrated embodiment, the measuring scanner 56 includes two movable mirrors that can be pivoted in two different spatial directions. This allows the measuring beam 26 to be shifted in a targeted manner.

Die Vorrichtung 10 umfasst ferner einen Bearbeitungsscanner 58. Im dargestellten Fall ist der Bearbeitungsscanner 58 Teil der Bearbeitungseinheit 14. Der Bearbeitungsscanner 58 gestattet ein Verlagern des Bearbeitungsstrahls 18 in zwei Raumrichtungen. Zweckmäßigerweise umfasst der Bearbeitungsscanner 58 zwei entlang des optischen Pfads des Bearbeitungsstrahls 18 hintereinander angeordnete Spiegel, die in jeweils eine Raumrichtung schwenkbar sind. Durch Bewegung beider Spiegel kann somit eine Verlagerung des Bearbeitungsstrahls 18 in einer Ebene erfolgen. Mittels des Bearbeitungsscanners 58 ist der Bearbeitungsstrahl 18 verlagerbar, sodass sich ein Auftreffpunkt auf dem Werkstück 12 verändern lässt.The device 10 further comprises a processing scanner 58. In the case shown, the processing scanner 58 is part of the processing unit 14. The processing scanner 58 allows the processing beam 18 to be displaced in two spatial directions. The processing scanner 58 expediently comprises two mirrors arranged one behind the other along the optical path of the processing beam 18, each of which can be pivoted in a spatial direction. By moving both mirrors, the processing beam 18 can be shifted in one plane. By means of the processing scanner 58, the processing beam 18 can be moved so that an impact point on the workpiece 12 can be changed.

Die Bearbeitungseinheit 14 umfasst einen teildurchlässigen Spiegel 60. Dieser lenkt den Bearbeitungsstrahl 18 auf den Bearbeitungsscanner 58. Zudem tritt der Messstrahl 26 durch den teildurchlässigen Spiegel 60 hindurch und trifft ebenfalls auf den Bearbeitungsscanner 58. Der Messstrahl 26 ist damit in den Bearbeitungsstrahl 18 einkoppelbar. Der Messstrahl 26 und der Bearbeitungsstrahl 18 sind gemeinsam mittels des Bearbeitungsscanners 18 verlagerbar. Da der Messstrahl 26 außerdem mittels des Messscanners 56 verlagerbar ist, kann der Auftreffpunkt des Messstrahls 26 auf dem Werkstück 12, also eine Messposition 28, relativ zu dem Auftreffpunkt des Bearbeitungsstrahls 18 und unabhängig vom Bearbeitungsstrahl 18 auf dem Werkstück 12 verlagert werden. Hierdurch sind Messungen sowohl an einer aktuellen Bearbeitungsposition als auch an hiervon verschiedenen Messpositionen 28 möglich. Insbesondere können unterschiedliche Messpositionen 28 eingestellt werden, beispielsweise entlang von Messlinien oder an bestimmten einzelnen Punkten.The processing unit 14 includes a partially transparent mirror 60. This directs the processing beam 18 onto the processing scanner 58. In addition, the measuring beam 26 passes through the partially transparent mirror 60 and also hits the processing scanner 58. The measuring beam 26 can thus be coupled into the processing beam 18. The measuring beam 26 and the processing beam 18 can be moved together by means of the processing scanner 18. Since the measuring beam 26 can also be displaced by means of the measuring scanner 56, the point of impact of the measuring beam 26 on the workpiece 12, i.e. a measuring position 28, can be displaced relative to the point of impact of the processing beam 18 and independently of the processing beam 18 on the workpiece 12. This makes measurements possible both at a current processing position and at different measuring positions 28. In particular, different measuring positions 28 can be set, for example along measuring lines or at certain individual points.

Die Vorrichtung 10 weist außerdem eine Fokussieroptik 62 auf. Die Fokussieroptik 62 kann in einigen Fällen eine F-Theta-Linse umfassen, die hinter dem Bearbeitungsscanner 58 angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann eine Vorfokusoptik vorgesehen sein, beispielsweise unmittelbar vor dem Bearbeitungsscanner 58. Der Bearbeitungsstrahl 18 und der Messstrahl 26 treten beide durch die Fokussieroptik 62 hindurch.The device 10 also has focusing optics 62. The focusing optics 62 may, in some cases, include an F-theta lens located behind the processing scanner 58. Alternatively or additionally, pre-focus optics can be provided, for example directly in front of the processing scanner 58. The processing beam 18 and the measuring beam 26 both pass through the focusing optics 62.

Hieraus ist erkennbar, dass sich der Messarm 42 von dem Strahlteiler 40 ausgehend bis zum Auftreffpunkt des Messstrahls 26 auf dem Werkstück 12 erstreckt. Der Referenzarm 44 ist in seinen optischen Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich seiner optischen Wegstrecke und/oder seiner Dispersion, an den Messarm 42 angepasst. Hierdurch können in bekannter Weise durch Überlagerung des Lichts, das im Messarm 42 bzw. im Referenzarm 44 läuft, Abstandswerte mittels OCT ermittelt werden.From this it can be seen that the measuring arm 42 extends from the beam splitter 40 to the point of impact of the measuring beam 26 on the workpiece 12. The reference arm 44 is adapted to the measuring arm 42 in terms of its optical properties, in particular with regard to its optical path and/or its dispersion. In this way, distance values can be determined using OCT in a known manner by superimposing the light that runs in the measuring arm 42 or in the reference arm 44.

Das Bearbeitungssystem 10 weist eine Steuereinheit 64 auf. Die Steuereinheit 64 kann eine zentrale Steuereinheit sein, die sowohl die Bearbeitungseinheit 14 als auch den optischen Kohärenztomographen 24 steuert. Alternativ oder zusätzlich können eigene und/oder separate Steuereinheiten vorgesehen sein. Die Steuereinheit 64 bzw. Steuereinheiten umfassen zumindest einen Prozessor sowie einen Speicher zum zwischenzeitlichen und/oder dauerhaften Speichern von Rohdaten, vorverarbeiteten Daten, ausgewerteten Daten, Programmcode und dergleichen. Auf die Funktionen der Steuereinheit 64 wird im Folgenden nochmals eingegangen. Es versteht sich, dass die erwähnten Funktionen der Vorrichtung 10 und ihrer Komponenten sowie die erwähnten Verfahren von der Steuereinheit 64 durchgeführt werden. Ferner ist ein nicht dargestelltes Computerprogrammprodukt vorgesehen, das Anweisungen umfasst, die von der Steuereinheit ausführbar sind, um die erwähnten Steuerfunktionen durchzuführen. Das Computerprogrammprodukt kann ein insbesondere nicht flüchtiges Speichermedium umfassen, auf dem die Anweisungen gespeichert sind.The processing system 10 has a control unit 64. The control unit 64 can be a central control unit that controls both the processing unit 14 and the optical coherence tomograph 24. Alternatively or additionally, separate and/or separate control units can be provided. The control unit 64 or control units include at least one processor and a memory for temporary and/or permanent storage of raw data, preprocessed data, evaluated data, program code and the like. The functions of the control unit 64 will be discussed again below. It is understood that the mentioned functions of the device 10 and its components as well as the mentioned methods are carried out by the control unit 64. Furthermore, a computer program product, not shown, is provided which includes instructions that can be executed by the control unit in order to carry out the control functions mentioned. The computer program product can include a particularly non-volatile storage medium on which the instructions are stored.

Die Bearbeitungseinheit 14 ist dazu eingerichtet, eine Multispot-Bearbeitung durchzuführen. Hierfür wird der Bearbeitungsstrahl 18 in mehrere Bearbeitungsstrahlen oder Bearbeitungsstrahlteile aufgeteilt, die gemeinsam in einem bestimmten Spotmuster 20 auf das Werkstück 12 richtbar sind. Hierdurch sind mehrere Auftreffpunkte 22 definiert. Im exemplarisch dargestellten Fall ist ein optisches Element 66 vorgesehen, mittels dessen das Spotmuster 20 erzeugbar ist, indem der Bearbeitungsstrahl 18 geeignet aufgeteilt wird. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein oder mehrere doppelbrechende Strahlteilerelemente, Prismen, DOEs, mehrkernige Fasern oder geeignete Kombinationen davon handeln.The processing unit 14 is set up to carry out multispot processing. For this purpose, the processing beam 18 is divided into several processing beams or processing beam parts, which can be directed together in a specific spot pattern 20 onto the workpiece 12. This defines several impact points 22. In the case shown as an example, an optical element 66 is provided, by means of which the spot pattern 20 can be generated by suitably dividing the processing beam 18. This can be, for example, one or more birefringent beam splitter elements, prisms, DOEs, multi-core fibers or suitable combinations thereof.

Das Spotmuster 20 kann einstellbar sein. Insbesondere können relative Positionen der Auftreffpunkte 22, eine Anzahl der Auftreffpunkte 22 und/oder eine relative Leistung oder Intensität der individuellen Auftreffpunkte einstellbar sein. Das Spotmuster 20 ist genauer in 2 dargestellt. Zur Veranschaulichung ist ein einfaches Spotmuster 20 mit vier Auftreffpunkten 22 gewählt, die in einem Quadrat bzw. einer Raute angeordnet sind. Es versteht sich aber, das andere Spotmuster und auch eine andere Anzahl von Auftreffpunkten verwendet werden können. Beispielsweise kann das Spotmuster 20 zwei Auftreffpunkte 22 umfassen, die in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnet sind, oder drei Auftreffpunkte 22, die sich an Ecken eines, insbesondere gleichschenkligen, Dreiecks befinden. Auch Spotmuster 20 mit unregelmäßig polygonaler Anordnung von Auftreffpunkten 22 können eingesetzt werden.The spot pattern 20 can be adjustable. In particular, relative positions of the impact points 22, a number of impact points 22 and/or a relative power or intensity of the individual impact points can be adjustable. The spot pattern 20 is more precise 2 shown. To illustrate this, a simple spot pattern is 20 with four impact points 22 selected, which are arranged in a square or a diamond. However, it goes without saying that other spot patterns and also a different number of impact points can be used. For example, the spot pattern 20 can include two impact points 22, which are arranged at a certain distance from one another, or three impact points 22, which are located at corners of a, in particular isosceles, triangle. Spot patterns 20 with an irregular polygonal arrangement of impact points 22 can also be used.

Mit Bezugnahme auf 3 erzeugt der Bearbeitungsstrahl 18 bei einer Multispot-Bearbeitung des Werkstücks 12 ein Keyhole 68, das sich innerhalb eines Schmelzbads ausbildet. 3 stellt dabei schematisch die Situation für eine Draufsicht auf einen bearbeiteten Bereich des Werkstücks 12 dar. Die Auftreffpunkte 22 des Spotmusters 20 sind in kurzen Abständen voneinander angeordnet, beispielsweise im Bereich von Millimetern oder Zentimetern. Es bildet sich bei der Bearbeitung ein einzelnes Keyhole, oder anders ausgedrückt ein einziges Keyhole.With reference to 3 During multispot machining of the workpiece 12, the processing beam 18 generates a keyhole 68, which is formed within a melt pool. 3 schematically represents the situation for a top view of a machined area of the workpiece 12. The impact points 22 of the spot pattern 20 are arranged at short distances from one another, for example in the range of millimeters or centimeters. A single keyhole is formed during processing, or in other words a single keyhole.

In 3 ist ferner zu erkennen, dass bei der Bearbeitung ein Vorschub in eine Bearbeitungsrichtung 70 erfolgen kann. Diese ist durch einen Bearbeitungspfad 72 vorgegeben, entlang dessen mit einer bestimmten, wahlweise veränderlichen, Vorschubgeschwindigkeit bearbeitet wird. Aufgrund des Vorschubs bildet sich das Keyhole 68 bezogen auf die Bearbeitungsrichtung mit einem bestimmten Nachlauf aus. Um den Bearbeitungsvorgang möglichst genau überwachen zu können, wird der Messstrahl 26 in das Keyhole 68 gerichtet. Hierdurch kann die Eindringtiefe des Bearbeitungsstrahls 18 genau bestimmt werden, die wiederum dazu verwendet werden kann, Prozessparameter geeigneten einzustellen und/oder zu regeln.In 3 It can also be seen that during processing, a feed in a processing direction 70 can take place. This is predetermined by a processing path 72, along which processing takes place at a specific, optionally variable feed speed. Due to the feed, the keyhole 68 forms with a certain overtravel in relation to the machining direction. In order to be able to monitor the machining process as accurately as possible, the measuring beam 26 is directed into the keyhole 68. This allows the penetration depth of the processing beam 18 to be precisely determined, which in turn can be used to set and/or regulate process parameters appropriately.

Wie in 3 ferner dargestellt ist, kann ein Abstand 74 von dem Spotmuster 20 von der Bearbeitungsrichtung 70 abhängen. In 3 ist dieser Abstand relativ zu einem Punkt in der Mitte des Spotmusters veranschaulicht, der durch ein Kreuz gekennzeichnet ist. Diese Abhängigkeit kommt dadurch zustande, dass sich bei der Bearbeitung entlang des Bearbeitungspfads 72 das Spotmuster 20 relativ zur Bearbeitungsrichtung 70 verdreht. Der Energieeintrag in das Material bezogen auf die Bearbeitungsrichtung hängt von der Orientierung des Spotmusters 20 ab, weil ein Vorschub in eine bestimmte Richtung erfolgt. Dies ist anhand der beiden Situationen auf der linken bzw. rechten Seite von 3 veranschaulicht. Zusätzlich besteht eine Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit dergestalt, dass für größere Vorschubgeschwindigkeiten die Abstände 74 entsprechend größer sind.As in 3 is also shown, a distance 74 from the spot pattern 20 can depend on the processing direction 70. In 3 This distance is illustrated relative to a point in the center of the spot pattern, which is marked by a cross. This dependency comes about because the spot pattern 20 rotates relative to the processing direction 70 during processing along the processing path 72. The energy input into the material in relation to the processing direction depends on the orientation of the spot pattern 20 because feed occurs in a specific direction. This is based on the two situations on the left and right side of 3 illustrated. In addition, there is a dependency on the feed speed in such a way that the distances 74 are correspondingly larger for higher feed speeds.

Um den Messstrahl 26 in unterschiedlichen Bearbeitungssituationen zuverlässig in das Keyhole 68 zu richten, ist die Steuereinheit 64 dazu eingerichtet, ein Koordinatensystem 30 festzulegen, das bezüglich des Spotmusters 20 ortsfest ist. Die Messposition 28 wird dann bezüglich des Koordinatensystems 30 (vgl. 2 und 3) festgelegt. Beispielsweise wird bezogen auf das Koordinatensystem 30 der Nachlauf der Messposition 28 eingestellt. Zweckmäßigerweise wird die Messposition 28 derart eingestellt, dass sie in jeder Bearbeitungssituation innerhalb des Keyholes 68 liegt. Die Messposition 28 wird somit abhängig von der Bearbeitungsrichtung 70 und der Vorschubgeschwindigkeit eingestellt.In order to reliably direct the measuring beam 26 into the keyhole 68 in different processing situations, the control unit 64 is set up to define a coordinate system 30 that is stationary with respect to the spot pattern 20. The measuring position 28 is then relative to the coordinate system 30 (cf. 2 and 3 ) set. For example, the tracking of the measuring position 28 is set based on the coordinate system 30. The measuring position 28 is expediently set in such a way that it lies within the keyhole 68 in every processing situation. The measuring position 28 is thus set depending on the processing direction 70 and the feed speed.

Es kann ein Bearbeitungskoordinatensystem 76 verwendet werden, bezüglich dessen der Bearbeitungspfad 72 definiert ist. Das Bearbeitungskoordinatensystem 76 kann beispielsweise zum Werkstück 12 ortsfest sein. Somit rotiert das Koordinatensystem 30 bei der Bearbeitung entlang des Bearbeitungspfads 72 relativ zum Bearbeitungskoordinatensystem 76, ebenso wie das Spotmuster 20.A machining coordinate system 76 can be used, with respect to which the machining path 72 is defined. The machining coordinate system 76 can be stationary relative to the workpiece 12, for example. The coordinate system 30 thus rotates during processing along the processing path 72 relative to the processing coordinate system 76, as does the spot pattern 20.

Im exemplarisch dargestellten Fall wird der Ursprung des Koordinatensystem 30 in der Mitte des Spotmusters 20 positioniert. Die dargestellten Achsen des Koordinatensystem 30 zeigen insofern nur beispielhaft die Achsenrichtungen an, markieren aber nicht den Ursprung. Der Ursprung ist im vorliegenden Fall auf den geometrischen Schwerpunkt des Spotmusters 20 gelegt, er befindet sich also dort, wo das Kreuz eingezeichnet ist. Zur Bestimmung des Ursprungs kann ein Testschuss auf ein Testwerkstück durchgeführt werden, anhand dessen die einzelnen Auftreffpunkte 22 erkennbar sind. Diese können optisch erfasst oder auch mithilfe eines Abrasterns durch den Messstrahl 28 aufgefunden werden. Ausgehend hiervon kann der geometrische Schwerpunkt bestimmt werden.In the case shown as an example, the origin of the coordinate system 30 is positioned in the center of the spot pattern 20. The illustrated axes of the coordinate system 30 only show the axis directions as an example, but do not mark the origin. In the present case, the origin is placed on the geometric center of gravity of the spot pattern 20, i.e. it is located where the cross is drawn. To determine the origin, a test shot can be carried out on a test workpiece, from which the individual impact points 22 can be identified. These can be detected optically or can also be found using scanning through the measuring beam 28. Based on this, the geometric center of gravity can be determined.

In einigen Ausführungsformen kann der Ursprung auch in einen nach der jeweiligen Intensität an den Auftreffpunkten 22 und/oder der jeweiligen Leistung an den Auftreffpunkten 22 gewichteten Schwerpunkt gelegt werden. Der Ursprung kann sich dann näher an solchen Auftreffpunkten 22 befinden, bei denen viel Leistung anliegt.In some embodiments, the origin can also be placed in a center of gravity weighted according to the respective intensity at the impact points 22 and/or the respective power at the impact points 22. The origin can then be closer to those impact points 22 where there is a lot of power.

Aufgrund der erwähnten Abhängigkeit des Nachlaufs des Keyholes 68 von der Bearbeitungsrichtung 70 und der Vorschubgeschwindigkeit kann eine Kalibriermessung zweckmäßig sein. Hierfür wird eine Testbearbeitung eines Testwerkstücks durchgeführt, bei der das Spotmuster 20 in unterschiedliche Bearbeitungsrichtungen 70 bewegt wird. Dies ist beispielhaft in den 4 und 5 dargestellt. Zusätzlich kann jeweils mit unterschiedlichen Vorschubgeschwindigkeiten gearbeitet werden. Das Keyhole 68 tritt dann abhängig von der jeweiligen Bearbeitungsrichtung 70 und ggf. Vorschubrichtung an einer anderen Stelle auf.Due to the mentioned dependence of the overtravel of the keyhole 68 on the processing direction 70 and the feed rate, a calibration measurement may be appropriate. For this purpose, a test processing of a test workpiece is carried out, in which the spot pattern 20 is moved in different processing directions 70. This is exemplified in the 4 and 5 shown. In addition, different feed speeds can be used. The Keyhole 68 then occurs at a different location depending on the respective processing direction 70 and, if applicable, feed direction.

Zum Auffinden des Keyholes wird während der Testbearbeitung eine Messung mittels des Messstrahls 26 durchgeführt. Hierfür wird der Messstrahl 26 zum Beispiel entlang einer Linie 78 verlagert, und es wird ein zugehöriges Höhenprofil gemessen. Dieses Höhenprofil zeigt an, wie weit der Messstrahl 26 an der jeweiligen Messposition 28 in des Werkstück 12 eindringt, es handelt sich also um ein Eindringtiefenprofil. Eine derartige Messlinie umfasst mehrere Messpositionen 28, auf die der Messstrahl 26 gezielt gerichtet wird. Aus dem Höhenprofil kann dann die Position des Keyholes ermittelt werden, beispielsweise, indem eine Position maximaler Tiefe ermittelt wird. Im beispielhaft dargestellten Fall wird jeweils eine Messlinie parallel zur Vorschubrichtung 70 gewählt, die durch den Ursprung des Koordinatensystems 30 verläuft. Es können zusätzlich oder alternativ Messlinien oder auch andere Messpositionsverteilungen verwendet werden, wie etwa Messlinien quer oder schräg zur Bearbeitungsrichtung und/oder Messlinien, die bezüglich des Ursprungs und/oder der Vorschubrichtung seitlich versetzt verlaufen.To find the keyhole, a measurement is carried out using the measuring beam 26 during the test processing. For this purpose, the measuring beam 26 is displaced, for example, along a line 78, and an associated height profile is measured. This height profile shows how far the measuring beam 26 penetrates into the workpiece 12 at the respective measuring position 28, so it is a penetration depth profile. Such a measuring line includes several measuring positions 28, onto which the measuring beam 26 is specifically directed. The position of the keyhole can then be determined from the height profile, for example by determining a position of maximum depth. In the case shown as an example, a measuring line is selected parallel to the feed direction 70, which runs through the origin of the coordinate system 30. Additionally or alternatively, measuring lines or other measuring position distributions can be used, such as measuring lines transverse or oblique to the processing direction and/or measuring lines that are laterally offset with respect to the origin and/or the feed direction.

Die hierdurch erhaltenen Keyhole-Positionen werden herangezogen, um eine Abhängigkeit der Einstellung der Messposition 28 von der Orientierung der Bearbeitungsrichtung 70 und der Vorschubgeschwindigkeit bezüglich des Koordinatensystems 30 festzulegen. Die Abhängigkeit wird in der Steuereinheit 64 hinterlegt, sodass je nach Bearbeitungssituation stets eine geeignete Messposition 28 für Eindringtiefenmessungen eingestellt werden kann. Dem richtungs- und vorschubabhängigen Nachlauf wird hierdurch Rechnung getragen.The keyhole positions obtained in this way are used to determine a dependence of the setting of the measuring position 28 on the orientation of the processing direction 70 and the feed speed with respect to the coordinate system 30. The dependency is stored in the control unit 64, so that a suitable measuring position 28 for penetration depth measurements can always be set depending on the processing situation. This takes into account the direction- and feed-dependent overtravel.

6 veranschaulicht diese Abhängigkeit. Die strichlierten Pfeile symbolisieren die jeweilige Bearbeitungsrichtung. Im Zentrum ist das Spotmuster 20 dargestellt. Die durchgezogene Linie 80 markiert einen ersten Satz von Keyhole-Positionen, die für eine erste Vorschubgeschwindigkeit aufgefunden wurden. Die Richtungsabhängigkeit ist klar zu erkennen. Die gepunktete Linie 82 markiert einen zweiten Satz von Keyhole-Positionen, die für eine zweite Vorschubgeschwindigkeit ermittelt wurden, die größer ist als die erste Vorschubgeschwindigkeit. Auch hier ist eine Richtungsabhängigkeit vorhanden. 6 illustrates this dependency. The dashed arrows symbolize the respective processing direction. The spot pattern 20 is shown in the center. Solid line 80 marks a first set of keyhole positions found for a first feed rate. The directionality is clearly visible. The dotted line 82 marks a second set of keyhole positions determined for a second feed rate that is greater than the first feed rate. There is also a directional dependency here.

Die obigen Ausführungen betreffen auch ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks 12 und zur Durchführung optischer Kohärenzmessungen für eine Überwachung eines Bearbeitungsprozesses des Werkstücks 12. Das Verfahren wird beispielsweise mit der beschriebene Vorrichtung 10 durchgeführt. Ein schematisches Ablaufdiagramm eines solchen Verfahrens ist in der 7 gezeigt.The above statements also relate to a method for machining a workpiece 12 and for carrying out optical coherence measurements for monitoring a machining process of the workpiece 12. The method is carried out, for example, with the device 10 described. A schematic flowchart of such a process is in the 7 shown.

In einem Schritt S1 werden mehrere hochenergetische Bearbeitungsstrahlen und/oder Bearbeitungsstrahlteile 18 erzeugt, die gemäß einem vorgegebenen Spotmuster 20 gleichzeitig auf mehrere Auftreffpunkte 22 richtbar sind, um eine Multispot-Bearbeitung des Werkstücks 12 durchzuführen, bei der das Spotmuster 20 relativ zu dem Werkstück 12 bewegt wird.In a step S1, several high-energy processing beams and/or processing beam parts 18 are generated, which can be directed simultaneously at several impact points 22 according to a predetermined spot pattern 20 in order to carry out multispot processing of the workpiece 12, in which the spot pattern 20 moves relative to the workpiece 12 becomes.

In einem Schritt S2 wird ein Messstrahl 26 mittels eines optischen Kohärenztomographen 24 erzeugt, der wahlweise auf unterschiedliche Messpositionen 28 richtbar ist.In a step S2, a measuring beam 26 is generated by means of an optical coherence tomograph 24, which can be directed selectively to different measuring positions 28.

In einem Schritt S3 wird ein Spotmuster 20 festgelegt, das wenigstens zwei unterschiedliche Auftreffpunkte 22 definiert.In a step S3, a spot pattern 20 is defined, which defines at least two different impact points 22.

In einem Schritt S4 wird ein Koordinatensystems 30 festgelegt, wobei das Koordinatensystem 30 bezüglich des Spotmusters 20 ortsfest ist.In a step S4, a coordinate system 30 is determined, the coordinate system 30 being stationary with respect to the spot pattern 20.

In einem Schritt S5 wird eine Messposition 28 bezüglich des Koordinatensystems 30 während einer Multispot-Bearbeitung eingestellt.In a step S5, a measuring position 28 is set with respect to the coordinate system 30 during multispot processing.

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  • WO 2019/197423 A1 [0005]WO 2019/197423 A1 [0005]

Claims (10)

Verfahren zur Durchführung optischer Kohärenzmessungen für eine Überwachung eines Bearbeitungsprozesses eines Werkstücks (12), umfassend: Erzeugen mehrerer hochenergetischer Bearbeitungsstrahlen und/oder Bearbeitungsstrahlteile (18), die gemäß einem vorgegebenen Spotmuster (20) gleichzeitig auf mehrere Auftreffpunkte (22) richtbar sind, um eine Multispot-Bearbeitung des Werkstücks (12) durchzuführen, bei der das Spotmuster (20) relativ zu dem Werkstück (12) bewegt wird; Erzeugen eines Messstrahls (26) mittels eines optischen Kohärenztomographen (24), der wahlweise auf unterschiedliche Messpositionen (28) richtbar ist; Festlegen eines Spotmusters (20), das wenigstens zwei unterschiedliche Auftreffpunkte (22) definiert; Festlegen eines Koordinatensystems (30), wobei das Koordinatensystem (30) bezüglich des Spotmusters (20) ortsfest ist; und Einstellen einer Messposition (28) bezüglich des Koordinatensystems (30) während einer Multispot-Bearbeitung.Method for carrying out optical coherence measurements for monitoring a machining process of a workpiece (12), comprising: Generating several high-energy processing beams and/or processing beam parts (18), which can be directed simultaneously at several impact points (22) according to a predetermined spot pattern (20) in order to carry out multispot processing of the workpiece (12), in which the spot pattern (20) is relative is moved to the workpiece (12); Generating a measuring beam (26) by means of an optical coherence tomograph (24), which can be directed selectively to different measuring positions (28); defining a spot pattern (20) that defines at least two different impact points (22); Determining a coordinate system (30), the coordinate system (30) being stationary with respect to the spot pattern (20); and Setting a measuring position (28) with respect to the coordinate system (30) during multispot processing. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Ursprung des Koordinatensystems (30) in einer Mitte des Spotmusters (20) positioniert wird.Procedure according to Claim 1 , wherein an origin of the coordinate system (30) is positioned in a center of the spot pattern (20). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei als Ursprung des Koordinatensystems (30) ein Schwerpunkt des Spotmusters (20) gewählt wird.Procedure according to Claim 1 or 2 , whereby a center of gravity of the spot pattern (20) is selected as the origin of the coordinate system (30). Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schwerpunkt ein geometrischer Schwerpunkt und/oder ein nach Intensität und/oder Leistung an den Auftreffpunkten (22) des Spotmusters (20) gewichteter Schwerpunkt ist.Procedure according to Claim 3 , wherein the center of gravity is a geometric center of gravity and/or a center of gravity weighted according to intensity and/or power at the impact points (22) of the spot pattern (20). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Messposition (28) von jedem Auftreffpunkt (22) des Spotmusters (20) unterscheidet.Method according to one of the preceding claims, wherein the measuring position (28) differs from each impact point (22) of the spot pattern (20). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei der Multispot-Bearbeitung ein einzelnes Keyhole (68) gebildet wird, und wobei die Messposition bei der Multispot-Bearbeitung in das Keyhole (68) gerichtet wird.Method according to one of the preceding claims, wherein a single keyhole (68) is formed during multispot processing, and whereby the measuring position is directed into the keyhole (68) during multispot processing. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: Durchführen einer Bearbeitung, bei der das Spotmuster (20) relativ zu dem Werkstück (12) mit einer Vorschubgeschwindigkeit und/oder in eine Bearbeitungsrichtung (70) bewegt wird; und Einstellen der Messposition (28) in Abhängigkeit von einem Betrag der Vorschubgeschwindigkeit und/oder einer Orientierung der Bearbeitungsrichtung (70) bezüglich des Koordinatensystems (30).Method according to one of the preceding claims, further comprising: Carrying out a machining in which the spot pattern (20) is moved relative to the workpiece (12) at a feed speed and/or in a machining direction (70); and Setting the measuring position (28) depending on an amount of the feed speed and/or an orientation of the processing direction (70) with respect to the coordinate system (30). Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend: Durchführen einer Testbearbeitung eines Testwerkstücks, bei der das Spotmuster (20) mit zumindest einer Vorschubgeschwindigkeit in zumindest zwei unterschiedliche Bearbeitungsrichtungen (70) bewegt wird; Verlagern der Messposition (28) bezüglich des Koordinatensystems (30) während der Testbearbeitung, insbesondere entlang zumindest einer Linie (78) parallel und/oder senkrecht und/oder schräg zu einer aktuellen Bearbeitungsrichtung (70), um Messdaten zu erhalten, aus denen ein Profil einer Eindringtiefe in das Testwerkstück bestimmbar ist; und Festlegen einer Abhängigkeit der Einstellung der Messposition (28) von einer Orientierung der Bearbeitungsrichtung (70) und der Vorschubgeschwindigkeit bezüglich des Koordinatensystems (30).Procedure according to Claim 7 , further comprising: carrying out a test processing of a test workpiece, in which the spot pattern (20) is moved with at least one feed speed in at least two different processing directions (70); Displacing the measuring position (28) with respect to the coordinate system (30) during test processing, in particular along at least one line (78) parallel and/or perpendicular and/or oblique to a current processing direction (70), in order to obtain measurement data from which a profile a penetration depth into the test workpiece can be determined; and determining a dependence of the setting of the measuring position (28) on an orientation of the processing direction (70) and the feed rate with respect to the coordinate system (30). Verfahren nach Anspruch 8, wobei bei der Testbearbeitung das Spotmuster (20) für die zumindest zwei unterschiedlichen Bearbeitungsrichtungen (70) mit jeweils zumindest zwei unterschiedlichen Vorschubrichtungen bewegt wird.Procedure according to Claim 8 , wherein during the test processing the spot pattern (20) is moved for the at least two different processing directions (70), each with at least two different feed directions. Vorrichtung (10) zur Bearbeitung eines Werkstücks (12) und zur Durchführung optischer Kohärenzmessungen für eine Überwachung eines Bearbeitungsprozesses des Werkstücks (12), insbesondere gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Bearbeitungseinheit (14) mit einer Bearbeitungsstrahlquelle (16) zum Erzeugen mehrerer hochenergetischer Bearbeitungsstrahlen und/oder Bearbeitungsstrahlteile (18), die gemäß einem vorgegebenen Spotmuster (20) gleichzeitig auf mehrere Auftreffpunkte (22) richtbar sind, um eine Multispot-Bearbeitung des Werkstücks (12) durchzuführen, bei der das Spotmuster (20) relativ zu dem Werkstück (12) bewegt wird; einen optischen Kohärenztomographen (24) zum Erzeugen eines Messstrahls (26), der wahlweise auf unterschiedliche Messpositionen (28) richtbar ist; und eine Steuereinheit (64), die eingerichtet ist zum: Festlegen eines Spotmusters (20), das wenigstens zwei unterschiedliche Auftreffpunkte (22) definiert; Festlegen eines Koordinatensystems (30), wobei das Koordinatensystem (30) bezüglich des Spotmusters (20) ortsfest ist; und Einstellen einer Messposition (28) bezüglich des Koordinatensystems (30) während einer Multispot-Bearbeitung.Device (10) for machining a workpiece (12) and for carrying out optical coherence measurements for monitoring a machining process of the workpiece (12), in particular according to a method according to one of the preceding claims, wherein the device comprises: a machining unit (14) with a machining beam source (16) for generating several high-energy processing beams and/or processing beam parts (18), which can be directed simultaneously at several impact points (22) according to a predetermined spot pattern (20) in order to carry out multispot processing of the workpiece (12), in which the spot pattern (20) is moved relative to the workpiece (12); an optical coherence tomograph (24) for generating a measuring beam (26), which can be directed selectively to different measuring positions (28); and a control unit (64) configured to: set a spot pattern (20) that defines at least two different impact points (22); Determining a coordinate system (30), the coordinate system (30) being stationary with respect to the spot pattern (20); and setting a measuring position (28) with respect to the Coordinate system (30) during multispot processing.
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